Beuodegis lėktuvas

Beuodegis lėktuvas – aeronautikos ir aviacijos inžinerijos terminas, kuriuo apibūdinamas fiksuoto sparno orlaivis, neturintis jokių kitų horizontalių aerodinaminių paviršių, išskyrus pagrindinį sparną. Priešingai nei skraidančio sparno atveju, beuodegis lėktuvas paprastai turi fiuzeliažą, vertikalią uodegą (vertikalų stabilizatorių) ar vertikalų vairą.

Teoriniai beuodegės schemos privalumai yra mažas parazitinis pasipriešinimas – panašiai kaip sklandytuvo Horten H.IV atveju – ir geras mažo radaro atspindžio (angl. stealth), kaip bombonešio Northrop B‑2 Spirit atveju. Trūkumai – didesnis jautrumas trimeriui.

Beuodegiai lėktuvai pradėti kurti aviacijos aušroje; pirmasis toks stabilus orlaivis – 1910 m. sukurtas beuodegis biplanas Dunne D.5. Sėkmingiausia beuodegio lėktuvo konfigūracija laikomas beuodegis delta sparnas. Tokia konstrukcija daugiausiai taikoma kariniuose lėktuvuose, nors delta konfigūracija buvo naudojama ir viršgarsiniame keleiviniame lėktuve Concorde bei SSRS sukurtame jo analoge Tu-144.

NASA „beuodegio“ terminu apibūdino ir eksperimentinį lėktuvą X‑36, kuriame nebuvo vertikalaus stabilizatoriaus, tačiau priekyje buvo montuojami „anties“ (angl. carard) tipo sparnai.

Lėktuvo konfigūracija

Beuodegis orlaivis – aerodinaminė konstrukcija be jokio kito horizontalaus paviršiaus, išskyrus pagrindinį sparną. Tiek atakos kampo, tiek posūkio aerodinaminė kontrolė ir stabilizavimas atliekami pagrindiniame sparne esančiais vairais. Kartu ši konstrukcija, priešingai nei skraidantis sparnas, numato galimybę pokrypiui reguliuoti įrengti vertikalų stabilizatorių bei vairą. Beuodegio lėktuvo, priešingai nei skraidančio sparno atveju, nėra reikalaujama, kad piloto kabina, varikliai ir kt. būtų pilnai ar dalinai integruoti į sparną.

Aerodinamika

Pasipriešinimas

Įprastiniame fiksuoto sparno lėktuve horizontalus stabilizatorius, atliekantis aukščio vairo funkcijas, yra atskiras paviršius. Montuojamas atskirai, paprastai uodegoje, jis sukuria papildomą pasipriešinimą. Tai reikalauja galingesnio variklio, papildomos galios poreikis auga didėjant greičiui. Beuodegio lėktuvo atveju, radus būdą kaip užtikrinti išilginį (longitudinį) stabilizavimą, stabilizatorius gali būti pašalintas ir atitinkamai sumažėja oro pasipriešinimas bei galios poreikis.

Išilginis stabilumas

Beuodegiame lėktuve nėra atskiro horizontalaus stabilizatoriaus – dėl šios priežasties aerodinaminis centras būtų priešais sunkio centrą, sąlygodamas nestabilumą keičiantis atakos kampui. Atitinkami reikia priemonių svorio centro perkėlimui atgal. Tam yra du pagrindiniai būdai, suformuluoti britų aviacijos pionieriaus J. W. Dunne:

1. Strėliško sparno naudojimas, taip pat ir naudojant delta formos sparnus kartu sumažinant išorinės sparno dalies atakos kampą išilginės fiuzeliažo ašies atžvilgiu. Tokia išorinė dalis atlieka tą pačią funkciją kaip klasikinis uodegos stabilizatorius (angl. tip washout). Dunne šį efektą pasiekė suteikdamas sparnui kūgišką viršutinį paviršių, todėl lėktuvas vertikaliame skrydyje turi būti sureguliuotas taip, kad sparno galiukai nekurtų keliamosios galios – jie net gali kurti nedidelę žemyn veikiančią jėgą. Tai mažina bendrą sparno efektyvumą, bet dideliems greičiams skirtose konstrukcijose, lyginant su įprastu stabilizatoriumi, pasiteisina dėl mažesnio oro pasipriešinimo, svorio ir kaštų. Kartu ilgesnis sparnas sumažina manevringumą; būtent dėl šios priežasties Dunne konstrukciją atmetė britų kariuomenė.
2. Mažo arba nulinio atakos kampo aerodinaminės formos, plačiai naudotos brolių Hortenų kurtuose sklandytuvuose ir naikintuvuose. Tam naudojamas netipinio profilio aerodinaminiai paviršiai, kurių viršutinė sparno pusė yra plokštesnė, o apatinė – labiau išlenkta, todėl priekinė dalis sukuria didelį atakos kampą, o užpakalinė dalis beveik nesukuria keliamosios galios ir veikia kaip uodegos plokštuma. Šis efektas gali būti imituojamas dideliais eleronais. Dėl Bernulio efekto tokia konstrukcija kuria nedidelę žemyn nukreiptą jėgą, todėl jį kompensuoti reikia padidinti sparno atakos kampą.

Paprastesnis būdas yra pagrindinį orlaivio svorį sukoncentruoti gerokai žemiau sparno. To išdavoje dėl gravitacijos lėktuvas natūraliai išlaiko horizontalų stabilumą, kaip ir parasparnio atveju. Tačiau šis metodas paprastai yra derinamas su aerodinaminėmis priemonėmis. Klasikinis pavyzdys – Rogallo sparno skraidyklė, kurioje naudojamas toks pats kaip ir Dunne kintančio strėliškumo kūginis sparnas.

Stabilumas taip pat gali būti užtikrinamas ir dirbtinai, taip suformuojant kompromisą tarp stabilumo ir manevringumo: didelio manevringumo sąlyga yra žemas stabilumas. Kai kurie modernūs kariniai orlaiviai aerodinamiškai yra nestabilūs ir jų valdymui užtikrinti reikalinga kompiuterinė valdymo paviršių kontrolė, kaip pavyzdžiui Northrop Grumman B‑2 Spirit.

Atakos kampo kontrolė

Daugelyje ankstyvųjų šios konstrukcijos orlaivių nepavyko efektyviai kompensuoti horizontalaus stabilizatoriaus nebuvimo. Vienose konstrukcijose, pasiekus stabilumą skrydyje, aukštį buvo galima kontroliuoti galėjo tik variklio galia; kitos pasižymėjo itin dideliu vairų jautrumu, kai dėl nedidelio judesio vairais, orlaivis staiga kildavo į viršų ar leisdavosi žemyn. Tai suteikė beuodegiams lėktuvams nestabilų reputaciją. Ši reputacija buvo paneigta tik jau reaktyvinėje eroje.

Dažniausiai naudojamas sprendimas – sparno užpakalinėje briaunoje montuoti didelio paviršiaus ploto aukščio vairus ir (arba) elevonus. Jei sparnas nėra labai strėliškas, šie paviršiai sukuria dideles jėgas. Tokiu būdu beuodegis lėktuvas, lyginant su įprastu, gali patirti didesnį pasipriešinimą vertikalaus manevro metu. Tačiau strėliškame delta sparne atstumas nuo užpakalinės briaunos iki aerodinaminio centro yra didesnis, todėl pakanka mažesnių valdymo paviršių. Tokios konstrukcijos pavyzdžiai – Dassault Mirage šeimos naikintuvai; tačiau net ir „Mirage“ modeliuose posvyrio valdymas esant dideliems atakos kampams sprendžiamas sudėtingai, į kai kuriuos vėlesnius variantus buvo montuojamos papildomos kanardinės plokštumos.

Pokrypio stabilumas

Įprastos konstrukcijos lėktuvas skrydyje yra nestabilus krypties atžvilgiu (posvyrio nestabilumas) ir skrydžio krypties stabilumui reikalauja uodegos stabilizatoriaus. Judesiai eleronais taip pat sukuria slydimo momentą, kuris yra kompensuojamas uodegos vairu. Vienas šios problemos sprendimų beuodegiame orlaivyje – suteikti sparnui tokią formą kurioje išorinė sparno dalis būtų nukreipta kampu žemyn, sukurdama neigiamą keliamąją galią. Tai iš dalies kompensuoja posūkyje eleronų sukuriamą slydimo momentą, palengvina manevravimą ir leidžia atsisakyti vertikalios uodegos arba skirtingą pasipriešinimą sukuriančių spoilerių (oro stabdžių).

Tokio tipo varpo formos keliamosios galios pasiskirstymas (angl. bell‑shaped lift distribution) minimalizuoja indukcinį pasipriešinimą lėktuvo svoriui, lyginant su elipsiniu pasiskirstymu, kuris minimalizuoja pasipriešinimą tam tikram sparno mojui.

Istorija

J. W. Dunne

Tarp 1905 ir 1913 m. D. Britanijos armijos karininkas ir aeronautikos pradininkas J. W. Dunne sukūrė keletą beuodegių orlaivių. Jis siekė įrodyti, kad tokia konstrukcija gali būti stabili skrydyje ir nepatirti smukos. J. W. Dunne įkvėpimo sėmėsi iš žuvėdrų, atitinkamai jo orlaivių sparnas buvo strėliškas su konišku viršutiniu paviršiumi. Link sparno galo jo žemyn nukreiptas nuolydis didėjo (skersinis V mažėjo), taip sukurdamas neigiamą keliamąją galią bei užtikrindamas skrydžio stabilumą tiek pokrypyje, tiek posvyryje. Valdymas buvo užtikrinamas vienintelis galinėje sparno dalyje buvusiu valdomu paviršiumi, veikusiu tiek kaip eleronas, tiek ir kaip aukščio vairas. Savo konstrukcija Dunne atrado keletą aerodinamikos principų ir jų derinimo galimybes – kaip neigiama sparnų galiukų keliamoji galia kartu su neigiamu skersinio V sparnais gali padidinti lėktuvo skrydžio krypties stabilumą.

Nors Dunne savo konstrukciją kūrė kaip monoplaną, tačiau dėl kariuomenės reikalavimo pateikti biplaną, jis buvo perdarytas į biplaną su tarp sparnų sumontuota pilotui skirta gondola, kurios galinėje dalyje buvo montuojamas variklis su stumiančiu propeleriu.

Dunne sukurtos konstrukcijos bandymus 1910 m. stebėjo aviacijos pionieriai Orvilis Raitas ir Grifitas Briueris (Griffith Brewer), kurie Karališkajai aeronautikos draugijai pateikė tai patvirtinančią ataskaitą. Tokiu būdu Dunne D.5 tapo pirmuoju fiksuoto sparno lėktuvu skrydyje pasiekusiu patvirtintą natūralų stabilumą bei pirmuoju sėkmingu beuodegiu lėktuvu. Vėlesnė jo modifikacija D.8 kartu su JAV aviacijos pionieriumi W. Starling Burgess buvo gaminama JAV komerciniu pavadinimu „Burgess-Dunne“.

Po D.5 sėkmės Dunne sugrįžo prie monoplano schemos ir 1911 m. sukūrė sėkmingą beuodegį aukštasparnį monoplaną D.6 su stumiančiu propeleriu.

Daugelis Dunne atrastų principų ir pritaikytų sprendimų įtakojo tokius vėlesnius aviacijos konstruktorius kaip Džonas Nortropas, kuris tapo vienu pagrindinių mažo radarinio skerspjūvio bombonešio Northrop Grumman B-2 Spirit autorių.

Tarpukaris ir Antrasis pasaulinis karas

Pirmieji tarpukario bandymai – G.T.R. Hill ir „Pterodactyl“

Po Pirmojo pasaulinio karo britų inžinierius ir pilotas Geoffrey T. R. Hill su J. W. Dunne pagalba trečiame dešimtmetyje sukūrė ir iš dalies sėkmingai pardavinėjo „Pterodactyl“ serijos beuodegius orlaivius. Sukauptos patirties pagrindu Hilas parengė savaime stabilaus aerodinaminio profilio teoriją ir ją taikė savo orlaiviuose.

Vokietija – Lipičas ir Messerschmitt Me 163 Komet

Lygiagrečiai savaime stabilaus aerodinaminio sparno teorija buvo vystoma Vokietijoje, kur 1931 m. Aleksandras Lipičas sukūrė pirmąją beuodegę konstrukciją „Delta I“.

Antrojo pasaulinio karo metais Lipičas kartu su aviacijos inžinieriumi ir verslininku Viliu Meseršmitu masinei gamybai pritaikė pirmą serijinį beuodegį naikintuvą Me 163 Komet. Šis orlaivis tapo vieninteliu fronte naudotu raketiniu naikintuvu-perėmėju ir buvo greičiausias fronte naudotas orlaivis. Po karo Lipičas savo tyrimus pratęsė JAV.

Vokietija – broliai Hortenai

Ketvirtame dešimtmetyje, pradedant 1933 m., vokiečių inžinieriai broliai Valteris ir Reimaras sukūrė keletą beuodegių sklandytuvų, kurie vėliau evoliucionavo į beuodegių reaktyvinių bombonešių projektus. Hortenams priklauso pirmojo reaktyvinio skraidančio sparno orlaivio – Horten Ho 229 – autorystė.

JAV beuodegiai – Northrop

Lygiagrečiai šiems procesams JAV inžinierius Džekas Nortropas kūrė savo konstrukcijos beuodegius orlaivius. Pirmasis jų – Northrop N-1M – pirmą kartą pakilo 1941 m. Vėliau Dž. Nortropas savo dėmesį sutelkė į „skraidančio sparno" tipo orlaivių kūrimą, tačiau po keleto JAV kariuomenės užsakymais nevirtusių eksperimentų su beuodegiais orlaiviais galiausiai sugrįžo prie klasikinių fiksuoto sparno lėktuvų kūrimo ir gamybos sukūrė keletą Antrame Pasauliniame kare JAV naudotų nedidelių bombonešių, (pvz. 1978 m. sukurtas ir konkurse F-16 pralaimėjęs naikintuvas Northrop YF-17, kurio padidinta versija tapo McDonnell-Douglas / Boeing F/A-18 ar 1972 m. konkurse pralaimėjęs Northrop YA-9, kuris, manoma, tapo sovietinio šturmo lėktuvo Su-25 prototipu). Sėkmingu sugrįžimu prie beuodegių ir "skraidančio sparno tipo orlaivių laikytinas 1989 m. sukurtas strateginis bombonešis Northrop Grumman B-2 Spirit.

Pokaris

Pirmieji britų reaktyviniai beuodegiai – de Havilland DH 108 Swallow

Penktame dešimtmetyje britų įmonėje „de Havilland“ dirbęs aviacijos inžinierius Džonas Frostas sukūrė beuodegį lėktuvą, gavusį pavadinimą de Havilland DH.108 Swallow, kuris iš esmės buvo naikintuvo de Havilland Vampire beuodegė modifikacija. Šis orlaivis laikomas pirmuoju, viršijusiu garso greitį – nors pasiekimas įvyko pikiravimo metu, tačiau stebėtojai užfiksavo smūginę bangą. Visi trys šio modelio orlaiviai buvo prarasti aukų pareikalavusių avarijų metu.

Argentinos beuodegiai – FMA I.Ae 38

Septintame dešimtmetyje Argentinoje pagal beuodegio lėktuvo schemą buvo sukurtas vienomotoris beuodegis naikintuvas FMA I.Ae. 37 (projektas nutrauktas neišbandžius ore varikliu varomo varianto) ir keturmotoris eksperimentinis transportinis orlaivis DINFIA IA 38.

Šių orlaivių kūrimui vadovavo į Argentiną emigravęs vokiečių inžinierius Reimaras Hortenas, o pati FMA I.Ae 38 konstrukcija buvo dar karo metais kurto projekto Horten H.VIII tolimesnė evoliucija.

JAV X serijos beuodegiai – Northrop X-4 Bantam

Lygiagrečiai DH.108, 1948 m. Dž. Nortropas sukūrė į DH.108 panašų dvimotorį reaktyvinį Northrop X-4. Tai buvo vienas iš JAV kurtų X serijos eksperimentinių lėktuvų, skirtų tyrinėti transgarsinių skrydžių problemas. Abejais pagamintais šio modelio orlaiviais 1950–1953 m. buvo atlikta apie 80 skrydžių, pasiektas 1035 km/h greitis.

Populiariausi beuodegiai – Dassault Mirage

Šeštame ir septintame dešimtmečiuose Prancūzijos įmonė „Dassault“ sukūrė reaktyvinių viršgarsinių reaktyvinių lėktuvų su delta formos sparnu, gavusių pavadinimą „Mirage“, seriją. Pažymėtina, kad lėktuvus su delta formos sparnais taip pat kūrusi SSRS (MiG-21) neapsiėjo be horizontalių stabilzatorių.

„Mirage“ šeima yra laikoma gausiausiai gaminta beuodegių lėktuvų tipu. Vėlesnių „Mirage“ šeimos modifikacijų egzempliorius Prancūzija 2025 m. perdavė Ukrainai kuri juos naudojo kare su Rusija.

Convair F2Y Sea Dart

Šeštame dešimtmeyje JAV sukurtas beuodegis Convair F2Y Sea Dart prototipas tapo vieninteliu hidroplanu, viršijusius garso greitį.

Viršgarsiniai orlaiviai

Iki XXI a. trečiojo dešimtmečio vidurio vieninteliais komerciškai eksploatuotais viršgarsinis civiliniais lėktuvais buvo Didžiosios Britanijos ir Prancūzijos įmonių bendrai sukurtas „Concorde“ ir SSRS sukurtas (manoma, kad didžiąja dalimi – nukopijuotas) jo analogas Tupolev Tu-144. Abu šie orlaiviai buvo beuodegiai su delta formos sparnais. Lygiagrečiai JAV kurtas Boeing 2707 projektas buvo nutrauktas dar aštuntame dešimtyje. XXI a. pradžioje laikas nuo laiko pasirodydavo pranešimų apie privačia iniciatyva vystomus keleivinių viršgarsinių lėktuvų projektus (pvz. Boom Overture, Gulfstream X-54, Spike S-512), tačiau iki 2025 m. nei vienas jų, išskyrus 2024–2025 m. bandytą Boom XB-1 ir 2025 m. planuotą pradėti bandyti Lockheed Martin X-59 Quesst, nebuvo pasiekęs net prototipo stadijos.

Greičiausias beuodegis – Lockheed SR-71 Blackbird

Greičiausiu beuodegiu reaktyviniu lėktuvu laikomas JAV sukurtas strateginis žvalgybinis lėktuvas Lockheed SR-71 Blackbird, viršijantis 3 Machų greitį.

Išnašos

1. Wragg, David W. (1974). A Dictionary of Aviation (1st American leid.). Frederick Fell, Inc. ISBN 0-85045-163-9.
2. Bowers, Albion; Murillo, Oscar (2016 m. kovo mėn.). „On Wings of the Minimum Induced Drag: Spanload Implications for Aircraft and Birds“ (PDF). {{cite journal}}: Citatai journal privalomas |journal= (pagalba)
3. J. W. Dunne; „The Theory of the Dunne Aeroplane“, The Aeronautical Journal, April 1913, pp. 83-102. Serialised in Flight between 16 August 1913 and 13 September 1913,
4. „An Automatic Stability machine“, Flight 18 February 1911, Pages 133–134.
5. Су-25 – копия американца? vs A-10 Thunderbolt, youtube.com
6. Trubshaw, B.; Concorde: The inside story, Pub. Sutton, England (2000), ISBN 978-0-7509-2393-4.

Literatūra

• Poulsen, C.M. "Tailless trials, Tribute to a British Pioneer: The Dunne Biplanes and Monoplane. ", „p. 557.“, „p. 558.“ Flight, 27 May 1943, pp, 556–558.